FR3138623A1 - Procédé de soudure par friction malaxage et ensemble de soudure associé - Google Patents
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Abstract
Ce procédé de soudure par friction malaxage d’une première pièce (8) sur une deuxième pièce (9), la première pièce (8) comprenant une première zone de soudage (10) et la deuxième pièce (9) comprenant une deuxième zone de soudage (11), comprend les étapes suivantes : - Usinage d’un logement (13) dans les première et deuxième pièces (8 et 9), le logement (13) étant destiné à recevoir un moyen de positionnement et de maintien (12) de la première zone de soudage contre la deuxième zone de soudage, le moyen de positionnement et de maintien (12) étant configuré pour être au moins partiellement soudé par friction malaxage aux première et deuxième pièces (8 et 9), - Positionnement de la première pièce (8) sur la deuxième pièce (9) et installation du moyen de positionnement et de maintien (12) dans le logement (13), - Mise en place d’un outillage de soudure par friction malaxage, - Sectionnement par l’outillage (14) de soudure du moyen de positionnement et de maintien (12), - Soudure par friction malaxage des première et deuxième pièces (8 et 9) et d’au moins une portion du moyen de positionnement et de maintien (12). Figure pour l’abrégé : Fig 2
Description
La présente invention concerne les dispositifs et procédés d’assemblage par friction malaxage, également appelé « friction stir welding » en termes anglo-saxons.
En particulier, l’invention concerne un procédé de soudure de deux pièces par friction malaxage et un ensemble de soudure associé.
De manière générale, l’invention s’applique à tout type de domaine nécessitant un assemblage par friction malaxage de deux éléments à assembler.
Techniques antérieures
Dans l’industrie, et notamment dans l’industrie aéronautique, il est courant de devoir assembler plusieurs éléments entre eux. Il peut s’agir par exemple de l’assemblage d’un raidisseur sur un panneau de structure d’un aéronef afin de rigidifier ledit panneau de structure.
Parmi les différents procédés d’assemblage, le soudage par friction malaxage est un procédé d’assemblage permettant, à l’aide d’un pion en rotation de moins de cinq millimètres de diamètre, de malaxer ensemble les matières des éléments à assembler et ainsi de créer une soudure. Le soudage par friction malaxage convient particulièrement pour des alliages d’aluminium.
Pour souder deux pièces ensemble, les pièces doivent être positionnées l’une par rapport à l’autre et maintenues en position durant le soudage. Pour cela, une des solutions existantes est illustrée sur la , et consiste à positionner et maintenir les pièces par un système d’épingles.
Plus particulièrement, en référence à la , un ensemble de soudure 1 comprend une première pièce 2 et une deuxième pièce 3. Des pré-perçages sont pratiqués dans les pièces 2 et 3, dans lesquels sont introduits des épingles 4. Grâces aux épingles 4, la première pièce 2 est positionnée et maintenue sur la deuxième pièce 3, permettant la réalisation de la soudure par friction malaxage à l’aide d’un outillage 5 de soudure par friction malaxage comprenant un pion 5a de soudure et un épaulement 5b. Sur la , la soudure est en cours, et un cordon de soudure 6 est réalisé où l’outillage de soudure 5 est déjà passé.
Néanmoins, cette solution présente de nombreux inconvénients. Tout d’abord, les épingles 4 sont encombrantes, et nuisent aux trajectoires de soudure et à l’environnement machine. De plus, cette solution bloque le passage de l’outillage de soudure 5, qui ne peut être utilisé trop près des épingles 4. Il en résulte une limitation du cordon de soudage 6, qui doit être limité aux abords des épingles 4. Aussi, les épingles 4 doivent être retirées une fois la soudure réalisée, et laissent alors les pré-perçages libres, qui doivent être rebouchés par la mise en place d’un système de fixation standard tel qu’un rivetage ou une bague afin d’assurer l’obturation, l’étanchéité et l’aérodynamisme .
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de proposer un procédé de soudure par friction malaxage et un ensemble de soudure qui soit moins encombrant à mettre en œuvre, qui ne bloque pas le passage de l’outillage de soudure et n’impose pas de limitation du cordon de soudage.
La présente invention a donc pour objet un procédé de soudure par friction malaxage d’une première pièce sur une deuxième pièce, la première pièce comprenant une première zone de soudage et la deuxième pièce comprenant une deuxième zone de soudage.
Le procédé comprend les étapes suivantes :
- Usinage d’un logement dans les première et deuxième pièces, le logement étant destiné à recevoir un moyen de positionnement et de maintien de la première zone de soudage contre la deuxième zone de soudage, le moyen de positionnement et de maintien étant configuré pour être au moins partiellement soudé par friction malaxage aux première et deuxième pièces,
- Positionnement de la première pièce sur la deuxième pièce et installation du moyen de positionnement et de maintien dans le logement,
- Mise en place d’un outillage de soudure par friction malaxage,
- Sectionnement par l’outillage de soudure du moyen de positionnement et de maintien,
- Soudure par friction malaxage des première et deuxième pièces et d’au moins une portion du moyen de positionnement et de maintien.
Avantageusement, le logement est usiné dans les première et deuxième zone de soudage, la première zone de soudage comprenant au moins une portion de la surface inférieure de la première pièce, et la deuxième zone de soudage comprenant au moins une portion de la surface supérieure de la deuxième pièce destinée à être au contact de la première zone de soudage.
Plus précisément, l’outillage de soudure par friction malaxage comprend une pointe rotative de soudure par friction malaxage et un épaulement, le sectionnement étant un cisaillement du moyen de positionnement et de maintien réalisé par l’épaulement de l’outillage de soudure.
Avantageusement, le moyen de positionnement et de maintien comprend un insert destiné à être inséré dans le logement à l’issue de l’étape de positionnement des pièces et d’installation du moyen de positionnement et de maintien.
Avantageusement, l’insert comprend une tige.
Dans un mode de mise-en-œuvre, à l’issue de l’étape d’usinage, le logement comprend un trou traversant la deuxième pièce et débouchant sur une surface de la deuxième pièce opposée à la deuxième zone de soudage, l’insert du moyen de positionnement et de maintien comprenant une tête fixée à une extrémité de la tige pour former un rivet, l’installation du moyen de positionnement consistant en la disposition de la tête du côté débouchant du logement.
L’invention a également pour objet un ensemble de soudure comprenant une première pièce, une deuxième pièce et un moyen de positionnement et de maintien d’une première zone de soudage de la première pièce contre une deuxième zone de soudage de la deuxième pièce pour la soudure par friction malaxage de la première pièce sur la deuxième pièce selon un procédé tel que défini précédemment, le moyen de positionnement et de maintien étant configuré pour être au moins partiellement soudé par friction malaxage aux première et deuxième pièces
Avantageusement, le moyen de positionnement et de maintien est composé d’un matériau d’une famille identique à au moins l’une des première et deuxième zones de soudage.
De manière préférentielle, le moyen de positionnement et de maintien est composé d’un alliage d’aluminium.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
Exposé détaillé d’au moins un mode de mise en œuvre
On a représenté schématiquement sur la un ensemble de soudure 7 comprenant une première pièce 8 et une deuxième pièce 9 en coupe transversale.
Par exemple, la première pièce 8 est un raidisseur et la deuxième pièce 9 est un panneau de structure d’aéronef.
La première pièce 8 et la deuxième pièce 9 sont destinées à être soudées ensemble par friction malaxage en transparence, c’est-à-dire l’une sur l’autre. Ainsi, le première pièce 8 comprend une surface inférieure 8a reposant sur une surface supérieure 9a de la deuxième pièce 9.
Plus précisément, la première pièce 8 comprend une première zone de soudage 10 et la deuxième pièce 9 comprend une deuxième zone de soudage 11, qui définissent des parties respectives des pièces 8 et 9 destinées à être mélangées ensemble lors de la soudure par friction malaxage.
Le première zone de soudage 10 comprend ainsi au moins une portion de la surface inférieure 8a et la deuxième zone de soudage comprend au moins une portion de la surface supérieure 9a qui est destinée à être au contact de la première zone de soudage 10. Ainsi, la première zone de soudage 10 et la deuxième zone de soudage 11 sont de fait positionnées au contact l’une de l’autre.
L’ensemble de soudure 7 comprend également un moyen de positionnement et de maintien 12 de la première pièce sur la deuxième pièce, et plus précisément de la première zone de soudage sur la deuxième zone de soudage.
La première pièce 8 et la deuxième pièce 9 sont réalisées dans des matériaux adaptés pour la soudure par friction malaxage. En particulier, le première pièce 8 et la deuxième pièce 9 sont réalisés à partir d’alliages d’aluminium, possiblement différents l’un de l’autre.
Le moyen de positionnement et de maintien 12 est réalisé lui-aussi dans un matériau adapté pour la soudure par friction malaxage tel qu’un alliage d’aluminium ou tout autre alliage compatible avec le procédé selon l’invention.
La illustre un procédé de soudure par friction malaxage de la première pièce 8 sur la deuxième pièce 9 apte à être mis-en-œuvre par l’ensemble de soudure 7. Les étapes du procédé sont décrites ci-dessous.
Dans une première étape E1, un logement 13 est usiné dans les première et deuxième pièces 8 et 9. Plus particulièrement, le logement 13 est usiné dans les première et deuxième zones de soudage 10 et 11, c’est-à-dire que le logement 13 est formé par la réunion, lors du positionnement des pièces 8 et 9, d’une première cavité pratiquée dans la première pièce 8, et d’une deuxième cavité pratiquée dans la deuxième pièce 9. La première cavité est pratiquée dans la surface inférieure 8a, et est fermée du côté opposé à la surface inférieure 8a ainsi que latéralement. En d’autres termes, la première cavité ne débouche dans la première pièce 8 que sur la surface inférieure 8a.
Dans le premier mode de mise en œuvre illustré sur la , la deuxième cavité est formée par un trou traversant la deuxième pièce 9 et débouchant d’une part sur la portion de la surface supérieure 9a comprise sur la deuxième zone de soudage 11, et d’autre part sur une surface inférieure 9b de la deuxième pièce 9 opposée à la deuxième zone de soudage, et donc opposée à la surface supérieure 9a.
Le logement 13 est destiné à recevoir le moyen de positionnement et de maintien 12. Ainsi, le moyen de positionnement et de maintien 12 constitue un insert destiné à être reçu dans le logement 13.
Une fois le logement 13 usiné, l’étape E2 consiste à positionner la première pièce 8 sur la deuxième pièce 9 et en l’installation du moyen de positionnement 12 dans le logement 13.
Dans le premier mode de mise en œuvre illustré sur la , le moyen de positionnement et de maintien 12 comporte un insert comprenant une tige 12a et une tête 12b fixée à une extrémité de la tige 12a pour former un rivet. L’étape E2 pour ce premier mode de mise en œuvre peut donc comprendre comme première phase de positionnement de la première pièce 8 sur la deuxième 9, puis une seconde phase d’installation du moyen de positionnement et de maintien 12 dans le logement 13. En effet, le logement 13 dans le premier mode de mise en œuvre étant débouchant sur la surface inférieure 9b qui est accessible lorsque la surface inférieure 8a de la première pièce 8 est disposée sur la surface supérieure 9a de la deuxième pièce 9, il est possible par conséquent d’insérer le moyen de positionnement et de maintien 12 dans le logement 13 après avoir positionné la surface inférieure 8a de la première pièce 8 sur la surface supérieure 9a de la deuxième pièce 9. L’ordre des deux phases peut être inversé pour le premier mode de mise en œuvre.
L’installation du moyen de positionnement et de maintien 12 dans le logement 13 pour ce premier mode de mise en œuvre consiste à insérer une extrémité libre de la tige 12a dans la première cavité du logement 13 pratiquée dans la première pièce 8. Ainsi, l’installation du moyen de positionnement 12 consiste à disposer la tête 12b du côté débouchant du logement 13 sur la surface inférieure 9b de la deuxième pièce 9. Possiblement, l’extrémité du logement 13 débouchant sur la surface inférieure 9b de la deuxième pièce est fraisurée de manière à pouvoir recevoir la tête 12b, permettant ainsi de lisser la surface intérieure 9b de la deuxième pièce 9 de façon à éviter une excroissance sur cette surface 9b et ainsi permettre un accostage correct des deux pièces 8 et 9 assemblées sur un bâti de soudage d’un outillage de soudage. De cette manière, l’encombrement des rivets de l’état de la technique illustré sur la du côté envers est supprimé.
La présence du moyen de positionnement et de maintien 12 dans le logement 13 pratiqué dans les première et deuxième pièces 8 et 9 permet le positionnement et le maintien des deux pièces 8 et 9 entre elles.
Une troisième étape E3 consiste en la mise en place d’un outillage de soudure 14 par friction malaxage pour la soudure de la première pièce 8 sur la deuxième pièce 9. La mise en place consiste à positionner l’ensemble 7 des deux pièces 8 et 9 assemblées et solidarisées par le moyen de positionnement et de maintien 12 sur un bâti de soudage de l’outillage de soudure destiné à supporter la surface inférieure 9b de la deuxième pièce 9. L’outillage 14 comprend un pion de soudure par friction malaxage comprenant une pointe rotative 14a pour la soudure par friction malaxage et un épaulement 14b portant la pointe 14a à l’une de ses extrémités.
L’outillage de soudure 14 est inséré dans la première pièce 8 jusqu’aux zones de soudages 10 et 11. La soudure commence alors, et un cordon de soudage 15 est formé dans les zones de soudage 10 et 11 au fur et à mesure de l’avancement de l’outillage de soudure 14 et du chauffage local des zones de soudages 10 et 11 du fait de l’action de la pointe rotative 14a. Le sens d’avancement de l’outillage de soudure 14 sur les figures 2 et 3 est de la droite vers la gauche. L’outillage de soudure 14 est par exemple inséré dans la première pièce 8 depuis une surface 8b supérieure opposée à la surface inférieure 8a. Ainsi, la première zone de soudage 10 est par exemple traversante sur toute l’épaisseur de la première pièce 8 entre les surfaces 8a et 8b. L’outillage de soudure ne peut traverser complétement la deuxième pièce 9 reposant par exemple sur un bâti de soudure, ce qui impose de limiter la deuxième zone de soudage 11 sur la moitié de l’épaisseur de la deuxième pièce 9 entre les surfaces 9a et 9b.
Lorsque l’outillage de soudure 14 entre dans le voisinage du logement 13 et du moyen de positionnement et de maintien 12, une étape E4 de sectionnement du moyen de positionnement et de maintien 12 intervient lors du contact entre l’outillage de soudure 14 et le moyen 12. En effet, le moyen de positionnement et de maintien 12 est configuré pour avoir une résistance faible au sectionnement de sorte qu’un simple contact avec l’épaulement 14b de l’outillage de soudure 14 permette le sectionnement du moyen de positionnement 12 en au moins deux portions distinctes.
Après sectionnement, une étape E5 consiste à souder par friction malaxage la première zone de soudage 10, la deuxième zone de soudage 11, et au moins une première portion sectionnée de moyen de positionnement et de maintien 12. En effet, de par sa composition en alliage d’aluminium, par exemple identique à l’une des deux zones de soudage 10 et 11 et de par son installation dans le logement 13 usiné dans les zones de soudages 10 et 11, le moyen de positionnement et de maintien 13 est configuré pour être au moins partiellement soudé par friction malaxage aux première et deuxième pièces 8 et 9, et plus particulièrement aux première et deuxième zones de soudage 10 et 11.
Ainsi, la illustre deux moyens de positionnement 12, celui de droite étant déjà sectionné et ayant une portion soudée aux pièces 8 et 9, et celui de gauche n’étant pas encore sectionné.
Dans ce premier mode de mise en œuvre illustré sur la , lorsque les pièces soudées 8 et 9 sont retirées du bâti de soudage suite à l’étape E5, l’au moins une portion sectionnée restante autre que la première portion sectionnée et soudée après sectionnement peut soit être éjectée par l’ouverture du logement 13 sur la surface 9b inférieure de la deuxième pièce, soit être elle aussi soudée aux pièces 8 et 9. Cette au moins autre portion sectionnée restante comprend notamment la tête 12b.
Lorsque la portion non soudée est éjectée lors du retrait de l’ensemble 7 soudé du bâti de soudage, un trou subsiste dans le logement 13 à la place de la portion non soudée. Ce trou doit être bouché par exemple avec un filler.
La illustre un deuxième mode de mise en œuvre d’un ensemble de soudure 16 comprenant une première pièce 17 disposée sur une deuxième pièce 18, un logement 19 étant pratiqué dans une première zone de soudage 20 de la première pièce 17 et dans une deuxième zone de soudage 21 de la deuxième pièce 18.
Le logement 19 est destiné à recevoir un moyen de positionnement et de maintien 22 de la première zone de soudage de la première pièce sur la deuxième zone de soudage de la deuxième pièce.
Ce deuxième mode de mise en œuvre diffère du premier mode de mise en œuvre en ce que le moyen de positionnement 22 est un insert ne comprenant qu’une tige 22a, et donc en ce que le logement 19 est fermé et inaccessible lorsque la première pièce 17 est disposée sur la deuxième pièce 18. En effet, le logement 19 est composé d’une première portion usinée dans la première zone de soudage 20 et d’une deuxième portion usinée dans la deuxième zone de soudage 21, comme sur le premier mode de mise en œuvre. La première portion du logement 19 est identique à celle du logement 13, et à la différence du premier mode de mise en œuvre, la deuxième cavité est symétrique à la première cavité par rapport au plan des surfaces en contact des première et deuxième pièces 17 et 18.
Pour le deuxième mode de mise en œuvre illustré sur la , l’installation E2 du moyen de positionnement et de maintien 22 est nécessairement antérieur au positionnement de la première pièce 17 sur la deuxième pièce 18, le logement 19 dans le deuxième mode de mise en œuvre n’étant pas accessible lorsque la surface inférieure 17a de la première pièce 17 est disposée sur la surface supérieure 18a de la deuxième pièce 18.
Ce deuxième mode de mise en œuvre permet d’éviter l’éjection d’une portion non soudée du moyen de positionnement 22. En effet, les portions sectionnées à l’étape E4 ne peuvent s’échapper du logement 19 qui est fermé et ne débouche pas sur une surface extérieure, et ces portions sont donc soudées avec les pièces 17 et 18 lors de l’étape E5.
Le diamètre des moyens de positionnement et de maintien 13 et 22 est de l’ordre de 2,5 à 3mm.
Ainsi, pour chacun des modes de mise en œuvre, le procédé décrit permet de souder les pièces entre elles sur l’ensemble de la longueur des pièces, et la trajectoire de l’outillage de soudure n’est pas limitée par le moyen de positionnement et de maintien. Le cordon de soudage est donc plus étendu et la soudure de meilleure qualité.
Claims (9)
- Procédé de soudure par friction malaxage d’une première pièce (8) sur une deuxième pièce (9), la première pièce (8) comprenant une première zone de soudage (10) et la deuxième pièce (9) comprenant une deuxième zone de soudage (11), comprenant les étapes suivantes :
- Usinage (E1) d’un logement (13) dans les première et deuxième pièces (8 et 9), le logement (13) étant destiné à recevoir un moyen de positionnement et de maintien (12) de la première zone de soudage contre la deuxième zone de soudage, le moyen de positionnement et de maintien (12) étant configuré pour être au moins partiellement soudé par friction malaxage aux première et deuxième pièces (8 et 9),
- Positionnement de la première pièce (8) sur la deuxième pièce (9) et installation (E2) du moyen de positionnement et de maintien (12) dans le logement (13),
- Mise en place (E3) d’un outillage de soudure par friction malaxage,
- Sectionnement (E4) par l’outillage de soudure du moyen de positionnement et de maintien (12),
- Soudure (E5) par friction malaxage des première et deuxième pièces (8 et 9) et d’au moins une portion du moyen de positionnement et de maintien (12).
- Procédé de soudure selon la revendication 1, dans lequel le logement (13) est usiné dans les première et deuxième zone de soudage (10 et 11), la première zone de soudage (10) comprenant au moins une portion de la surface inférieure (8a) de la première pièce (8), et la deuxième zone de soudage (11) comprenant au moins une portion de la surface supérieure (9a) de la deuxième pièce (9) destinée à être au contact de la première zone de soudage (10).
- Procédé selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel l’outillage de soudure par friction malaxage comprend une pointe rotative (14a) de soudure par friction malaxage et un épaulement (14b), le sectionnement (E5) étant un cisaillement du moyen de positionnement et de maintien (12) réalisé par l’épaulement (14b) de l’outillage de soudure.
- Procédé de soudure selon l’une quelconque des revendications 1 à 3 dans lequel le moyen (12) de positionnement et de maintien comprend un insert (12) destiné à être inséré dans le logement (13) à l’issue de l’étape (E2) de positionnement des pièces et d’installation du moyen de positionnement et de maintien (12).
- Procédé selon la revendication 4, dans lequel l’insert comprend une tige (12a).
- Procédé de soudure selon la revendication 5, dans lequel à l’issue de l’étape d’usinage (E1), le logement (13) comprend un trou traversant la deuxième pièce (9) et débouchant sur une surface (9b) de la deuxième pièce (9) opposée à la deuxième zone de soudage (11), l’insert (12) du moyen de positionnement et de maintien (12) comprenant une tête (12b) fixée à une extrémité de la tige (12a) pour former un rivet, l’installation (E2) du moyen de positionnement consistant en la disposition de la tête (12a) du côté débouchant du logement (13).
- Ensemble de soudure comprenant une première pièce (8), une deuxième pièce (9) et un moyen (12) de positionnement et de maintien d’une première zone de soudage (10) de la première pièce (8) contre une deuxième zone de soudage (11) de la deuxième pièce (9) pour la soudure par friction malaxage de la première pièce (8) sur la deuxième pièce (9) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, le moyen de positionnement et de maintien étant configuré pour être au moins partiellement soudé par friction malaxage aux première et deuxième pièces.
- Ensemble de soudure selon la revendication 7, dans lequel le moyen de positionnement et de maintien (12) est composé d’un matériau d’une famille identique à au moins l’une des première et deuxième zones de soudage (10 et 11).
- Ensemble de soudure selon la revendication 7 ou 8, dans lequel le moyen de positionnement et de maintien (12) est composé d’un alliage d’aluminium.
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| JP2007301578A (ja) * | 2006-05-09 | 2007-11-22 | Hino Motors Ltd | 材料の接合方法 |
| JP2008137067A (ja) * | 2006-11-10 | 2008-06-19 | Hino Motors Ltd | 部材接合構造 |
| JP2008137068A (ja) * | 2006-11-10 | 2008-06-19 | Hino Motors Ltd | 部材接合構造 |
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-
2022
- 2022-08-04 FR FR2208089A patent/FR3138623A1/fr active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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